RCC Koude & luchtbehandeling
36
36 JULI/AUGUSTUS 2014 107e JAARGANG
D
oor het toepassen van minikanaalwarmtewisselaars zou het volume van het systeem klein kunnen blijven. De warmteoverdracht van het ammo-niak/water-mengsel, dat toegepast wordt in compressie-resorptie-warmtepompen, is onderzocht wanneer dit door een coaxiale minikanaalwarmtewisselaar stroomt. Aangezien een meerkanaalssysteem mogelijk geen goede verdeling van de stromen binnen de warmtewis-selaar oplevert is een opgeschaalde minikanaalwisselaar met 116 buizen geproduceerd. De warmteoverdracht van het ammoniak/water-mengsel is voor deze warmtewisselaar ook onderzocht.Distillatie
Distillatie is een belangrijke, veel toegepaste methode voor het scheiden van stoff en in de indus-trie. Het is echter ook een energie-verslindend proces met een laag thermisch rendement. Het toepas-sen van een warmtepomp kan het rendement signifi cant verbeteren. Een compressie-resorptiewarmte-pomp levert mogelijk betere prestaties ten opzichte van de bekendere damp(re)compressie-warmtepompen.
De belangrijkste componenten in een (compressie-resorptie) warm-tepomp zijn de compressor en twee warmtewisselaars. Omdat beide componenten al meer dan honderd jaar gebruikt worden, zou men
In een recent onderzoek is de toepassing van
compressie-resorptiewarmte-pompen in de Nederlandse procesindustrie en in het bijzonder de toepassing
van een minikanaalwarmtewisselaar in een dergelijke warmtepomp
onder-zocht (van de Bor, 2014a). Zowel de technische als de economische prestaties
van compressie-resorptiewarmtepompen zijn onderzocht en vergeleken met
die van conventionelere installaties.
Tekst: Dennis van de Bor en C.A. Infante Ferreira
verwachten dat ze volledig uitont-wikkeld zijn. Niets is minder waar: recente ontwikkelingen zijn vloeistof-geïnjecteerde compresso-ren en miniaturisatie van warmte-wisselaars. De vloeistof-geïnjec-teerde compressor presteert beter en levert een kleine reductie in investeringskosten ten opzichte van een Osenbrück-cyclus, omdat er geen aparte pomp meer nodig is, terwijl geminiaturiseerde warmte-wisselaars betere prestaties bieden, het volume van het systeem verkleinen en mogelijk een kleinere investering vereisen. In dit onder-zoek ligt de focus op een sterk geminiaturiseerde warmtewisse-laar: de minikanaalwarmtewisse-laar.
Toepassing
Allereerst is de toepasbaarheid van warmtepompen in de procesindus-trie bekeken. Zowel de technische als de economische prestaties van compressie-resorptiewarmtepom-pen zijn onderzocht, met als hoofdzakelijk doel het verbeteren van deze prestaties en het reduce-ren van de investeringskosten bij toepassing in de procesindustrie. Er is een model ontwikkeld dat de prestaties van de meeste warmte-pompen kan bepalen uitgaande van de Carnot en Lorentz COP, het temperatuurverschil tussen het koudemiddel en het proces en een schatting van het rendement van de compressor. Door hieraan een
Onderzoek naar toepassing
minikanaalwarmtewisselaars
WA R M T E W I S S E L A A R S
economisch model te koppelen voor het bepalen van de investe-ringskosten van warmtewisselaars en compressoren, alsmede de kosten voor elektriciteit en verwar-ming, is het model in staat om terugverdientijden te bepalen voor conventionele systemen. Nieuwe relaties voor de investeringskosten van compressoren op de Europese markt zijn voorgesteld en vergele-ken met bestaande relaties. Com-pressie-resorptiewarmtepompen toegepast bij een distillatiekolom met een warmtevraag van 10 MWth, waarbij de warmtepomp een temperatuurverloop van 50 procent van de temperatuurlift kan gebrui-ken, heeft een terugverdientijd van ongeveer 3 jaar. Voor kleinere systemen van 2,8 MWth is de terugverdientijd ongeveer 5 jaar, wat duidelijk het eff ect van sys-teemgrootte demonstreert. De voorgestelde methode wordt uitgebreid besproken in van de Bor en Infante Ferreira (2013).
Een gedetailleerder model, specifi ek voor compressie-resorptiewarmte-pompen, is geïmplementeerd om de prestaties van een compressie-resorptiewarmtepomp te onderzoe-ken bij toepassing in de Nederland-se procesindustrie. In dit geval was het slechts mogelijk om het tempe-ratuurverloop in de condenser en reboiler te gebruiken, die in de regel kleiner zijn dan de temperatuurver-lopen in de distillatiekolommen. Dit limiteert de prestaties van dit type warmtepomp. Volgens de simula-ties levert het implementeren van compressie-resorptiewarmtepom-pen tot een temperatuurlift tot 124 K zowel economische als energeti-sche voordelen op; voor meer dan 90 procent van de 50 onderzochte toepassingen is het toepassen van
Koude & luchtbehandeling RCC
37
WA R M T E W I S S E L A A R S
107e JAARGANG JULI/AUGUSTUS 2014
een compressie-resorptiewarmte-pomp gunstig. Verder liet het model zien dat de optimale prestaties van een dergelijke warmtepomp met natte compressie behaald worden indien de damp aan de inlaat van de absorber precies verzadigd is, waarbij het temperatuurverloop in de resorber precies gelijk is aan het temperatuurverloop in het proces. Voor de beste prestaties zijn lage ammoniakconcentraties gewenst bij hoge procestemperaturen, terwijl voor lage procestemperatu-ren hoge ammoniakconcentraties gewenst zijn. Een samenvatting van de resultaten is te vinden in Van de Bor et al. (2014b).
Prestaties
Om de prestaties van compressie-resorptiewarmtepompen te verbe-teren en de investeringskosten te reduceren, is de warmteoverdracht van een ammoniak/water gas/ vloeistof-mengsel in minikanaal-warmtewisselaars experimenteel onderzocht. Het eerste deel van dit onderzoek was gericht op de prestaties van een absorber in de vorm van een minikanaal-annulus met een hydraulische diameter van 0,4 mm en een lengte van 0,8 m (zie Fig. 1 en Fig. 2.). In de praktijk ligt de annulus vanwege de fl exibi-liteit van de buizen excentrisch, met een gemiddelde excentriciteitsfac-tor van 0,6.
De gevonden warmteoverdrachts-coëffi cient van het gebruikte ammoniak/water-mengsel ligt
tussen 1.000 en 10.000 W m-2 K-1 indien de massafl ux tussen de 75 en 350 kg m-2 s-1 ligt en de dampfractie tussen 0,2 en 0,6 kg/kg. De drukval varieerde tussen 0,2 en 1,6 bar onder de gegeven condities en was te correleren met modellen uit de literatuur binnen een marge van 25 procent. De warmteoverdracht varieerde tussen 50 en 300 W. Bij lage dampfracties steeg de warmte-overdrachtscoëffi cient snel wan-neer de massafl ux toenam van 100 tot 175 kg m-2 K-1 (zie Fig. 3).
Dit eff ect was minder zichtbaar bij
experimenten met een hogere dampfractie. Het vergelijken van de gevonden warmteoverdrachtscoëf-fi ciënten met verschillende model-len voor de voorspelling van warmteoverdracht tijdens conden-satie liet grote verschillen zien; dergelijke modellen kunnen de weerstand tegen stoftransport niet voorspellen, wat een grote invloed kan hebben op de gemeten warm-teoverdracht. Voor de gegeven annulus kan de warmteover-drachtscoëffi cient van het mengsel voorspeld worden met
waarbij AO het uitwendig warmte-wisselend oppervlak in m2 en warmteoverdracht in W. De warm-teoverdrachtscoëffi cient h wordt dan uitgedrukt in W m-2 K-1.
De warmtewisselaar van fi guur 1 en fi guur 2 is ook onderzocht met een ammoniak/water-mengsel in de buis gedurende het desorptieproces. De buis heeft een diameter van 1,1 mm en een lengte van 0,8 m. De warmteoverdrachtscoëffi cient Fig. 1. Rechts: doorsnede van de warmtewisselaar. Lichtgrijs is de doorstroomoppervlakte,
donkergrijs is de wand. Links: 3D-tekening van de minikanaalwarmtewisselaar. Voor de onderzochte warmtewisselaar zijn de maten d1 = 1,1 mm, d2 = 1,6 mm, d3 = 2,0 mm en d4 = 2,5 mm, de lengte is 800 mm. De warmtewisselaar is zeer goed geïsoleerd om warmteverliezen naar de omgeving te voorkomen.
Fig. 2. Detail van de minikanaalinlaat voor de coaxiale minikanaalwarmtewisselaar. 4000 3000 2000 1000 0 0 100 200 300 400 22.5 kW m -2 20 kW m -2 17.5 kW m -2 15 kW m -2 12.5 kW m -2 10 kW m -2 Mass flux / kg m-2 s-1
Absorption side heat transfer
coefficient / W m -2K -1 80 kW m-2 75 kW m-2 70 kW m-2 65 kW m-2 60 kW m-2 50 kW m-2 45 kW m-2 35 kW m-2 25 kW m-2 20 kW m-2 4000 6000 8000 10000 12000 2000 0 0 100 200 300 400 500 Mass flux / kg m-1 s-1
Absorption side heat transfe
r c o e ffi c ie n t / W m -2 K -1
Fig. 3. Warmteoverdrachtscoëffi cient als functie van massafl ux in de mantelzijde voor een inlaattemperatuur van 140°C (links) en 180°C (rechts). Dampfracties liggen tussen 24 en 40 procent (links) en tussen 61 en 83 procent (rechts). Elk symbool is een experiment.
RCC Koude & luchtbehandeling
38
38
WA R M T E W I S S E L A A R S
JULI/AUGUSTUS 2014 107e JAARGANG
van het mengsel in de buis tijdens desorptie ligt tussen 5.500 en 10.500 W m-2 K-1 waarbij de massafl ux varieerde tussen 150 en 300 kg m-2 s-1. De gemiddelde dampfractie ligt tussen 0,2 en 0,5 kg/kg. Door het aanpassen van een empirische constante in een model uit de literatuur kunnen de resultaten voor de warmteoverdracht worden voorspeld. Nieuwe empirische correlaties gebaseerd op warmte-overdracht en massafl ux geven een betere voorspelling van de experi-menten, maar waarschijnlijk een slechtere voorspelling buiten het gegeven bereik van de experimen-ten. Doordat vervuiling zich in de loop van de experimenten heeft afgezet in de buis en voor de inlaat, was er geen duidelijke trend tussen drukval als functie van massafl ux en dampfractie zichtbaar. De warmte-overdracht ligt onder de gegeven condities tussen 50 en 250 W.
Fig. 4. Vergelijking tussen de warmte- overdrachtscoëffi cient van de experimenten en het aangepaste empirische model. Een van de problemen met minika-naalwarmtewisselaars is opscha-ling. Een enkele buis levert 250 W, dus voor een systeem met een vermogen van 10 MWth zijn circa 40.000 buizen benodigd. Verder ontstaan er problemen met het verdelen van vloeistof en gas over de verschillende buizen, zodat elke buis ongeveer een gelijke volume-stroom van zowel gas als vloeistof krijgt. Als tussenstap is een warmte-wisselaar met 116 buizen met een binnendiameter van 0,5 mm ontwikkeld (Fig. 5). De mantelzijde heeft een hydraulische diameter van 1,8 mm en een binnendiameter van 21 mm.
Fig. 5. 3D-tekening van de
stromingsdistributeur voor de buizen. Een deel van de verdeler van de mantelzijde is zichtbaar achter de verdeler voor de buizen. De verdeling van een zuivere vloeistof is eerst onderzocht met een model dat de eff ecten van contractie en expansie in de verdeler en gelijkvormige collector kan voorspellen. Het modelleren van de drukval in de mantelzijde met de gegeven geometrie is complex. Om de aanpak te versim-pelen, is de Chilton-Colburn-me-thode toegepast om de frictiefactor in de mantelzijde te voorspellen. De resultaten van dit model, waarbij water als werkmedium is gebruikt, laten zien dat de vloeistof evenredig over de buizen verdeeld wordt, waarbij de afwijkingen ten opzichte van het gemiddelde binnen 0,1 procent blijven. Voor een massafl ux in de mantel van 5 en 30 kg m-2 s-1 ligt de warmteoverdrachtscoëffi -cient met water tussen 750 en 850 W m-2 K-1, waar het model een warmteoverdrachtscoeffi cient van 800 W m-2 s-1 voorspelt. De verschil-len tussen de verschilverschil-lende experi-menten kunnen te wijten zijn aan afwijkingen in de metingen en datareductie.
De warmteoverdracht voor het ammoniak/water-mengsel is ook gemeten met deze warmtewisse-laar. Wanneer het mengsel door de mantelzijde stroomt, wordt de warmteoverdracht slechter ten opzichte van de experimenten met water. De warmteoverdracht in de mantelzijde vormt de limiterende factor. De totale warmteover-drachtscoëffi cient ligt tussen de 150
en 600 W m-2 K-1 indien de massaf-lux tussen 2,7 en 8,1 kg m-2 s-1 ligt. De warmteoverdrachtscoëffi cient vertoont nu een stijging met toenemende massastroom, terwijl deze, binnen de foutmarge van de experimenten, constant bleef tijdens de experimenten met water. Tijdens alle metingen bleef de stroming laminair.
Het ammoniak/water-mengsel is ook als medium in de buizen van de warmtewisselaar gebruikt, waarbij het mengsel zich zowel in de buizen als in de mantelzijde in het tweefasenregime bevond. De totale warmteoverdrachtscoëffi cient ligt tussen 300 en 1.800 W m-2 K-1 (Fig. 6). De maximale warmteover-drachtscoëffi cient is toegenomen doordat de maximale massafl ux in de mantelzijde is toegenomen van 8,1 kg m-2 s-1 tot 16 kg m-2 s-1. Ook tijdens deze experimenten vertoont de warmteoverdrachtscoëffi cient een stijgende lijn voor toenemende massafl ux in de mantelzijde.
Fig. 6. Experimentele resultaten voor de totale warmteoverdrachtscoëffi cient met ammoniak/water in de buizen en de mantelzijde.
Bij een toenemende absorber-in-laattemperatuur neemt de gemid-delde dampfractie en de warmte-overdrachtscoëffi cient toe. Voor een massafl ux tussen 25 en 200 kg m-2 s-1 ligt de drukval in de buis tussen 0,01 en 0,3 bar, terwijl de drukval in de mantelzijde tussen 0,04 en 0,5 bar ligt voor een massafl ux tussen 2 en 16 kg m-2 s-1 (Fig. 7).
Tijdens alle experimenten in het tweefasegebied waren oscillaties in volumestroom en drukval zichtbaar. Deze oscillaties worden
waarschijn-12000
12000 -10%
+25%
Thome et al. (2004), modified
Exp. heat transfer coefficient / W m-2
K-1
Pred. heat transfer coefficient / W m
-2K -1 10000 10000 8000 8000 6000 6000 4000 4000 2000 2000 0 0 0 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 500 1000 1500 2000 2500 Hoge temperatuur lage temperatuur Massaflux mantelzijde / kg m-2 s-1 T o ta le w a rm te o v e rd ra c h ts c o e ffi c ie n t /W m -2 K -1
Koude & luchtbehandeling RCC
39
WA R M T E W I S S E L A A R S
107e JAARGANG JULI/AUGUSTUS 2014
RCC K&L
lijk veroorzaakt door Taylor- en hydrodynamische instabiliteiten.
Fig. 7. Experimentele resultaten voor drukval tijdens absorptie van ammoniak/water in de mantelzijde en desorptie van het ammoniak/ water-mengsel in de buizen.
Tijdens het desorptieproces in de buiszijde van de warmtewisselaar waren de oscillaties groter, terwijl de experimenten in de 1,1 mm buis lieten zien dat de oscillaties vermin-deren bij en vergroting van de drukval.
Alternatieven
De prestaties van de minikanaal-warmtewisselaar kunnen vergele-ken worden met de prestaties van conventionele warmtewisselaars. Dit kan het beste gevisualiseerd worden aan de hand van fi guur 8. Bij een gelijk grondoppervlak is de minikanaalwarmtewisselaar door
de grote oppervlakte/volume-ver-houding signifi cant compacter, vergeleken met de conventionele techniek. De warmteoverdrachtsco-effi ciënt voor platenwarmtewisse-laars (Cerezo et al., 2009) is verge-lijkbaar met de hier gepresenteerde gemeten waarden voor de minika-naalwarmtewisselaar. De warmte-overdracht bij gelijke procescondi-ties is daarmee dus ook
vergelijkbaar. Indien de warmtewis-selaar verbeterd wordt en de prestaties die van de coaxiale warmtewisselaar benadert, is het mogelijk het volume met circa 50 procent te reduceren.
Conclusie
Warmtepompen op industriële schaal op basis van conventionele technieken hebben een terugver-dientijd van ongeveer drie tot vijf jaar. Compressie-resorptiewarmte-pompen maken betere prestaties mogelijk. Het toepassen van een minikanaalwarmtewisselaar werkend met het ammoniak/ water-mengsel als medium levert een vergelijkbare warmteoverdracht als een warmtewisselaar op con-ventionele schaal. De prestaties van de coaxiale warmtewisselaar kunnen verhoogd worden door
deze exact concentrisch te plaatsen; voor de opgeschaalde variant zijn er nog prestatiewinsten mogelijk door de stroomsnelheid in de mantel-zijde te verhogen en de oscillaties te verminderen. Vergeleken met een conventionele shell-and-tube-warmtewisselaar en een compacte platenwarmtewisselaar kan een signifi cante reductie in het volume van de warmtewisselaar gereali-seerd worden.
Referenties
Cerezo J., Bourouis M., Vallès M., Coronas A., Best R., 2009. Experi-mental study of an ammonia– water bubble absorber using a plate heat exchanger for absorp-tion refrigeraabsorp-tion machines, Applied Thermal Engineering, Volume 29, Issues 5–6, P. 1005-1011
van de Bor D.M., Infante Ferreira C.A., 2013. Quick selection of industrial heat pump types including the impact of thermo-dynamic losses, Energy, Volume 53, P. 312-322.
van de Bor D.M., 2014a. Mini-channel heat exchangers for industrial distillation processes, PhD thesis, TU Delft, Delft. van de Bor D.M., Infante Ferreira C.A., Kiss, A.A., 2014b. Optimal performance of compression–re-sorption heat pump systems, Applied Thermal Engineering, Volume 65, P. 219-225
Meer informatie:
Dennis van de Bor en C.A. Infante Ferreira Process & Energy Department, TU Delft Leeghwaterstraat 39 2628 CB Delft T: 015-2784894 E: C.A.InfanteFerreira@tudelft .nl 100 100 101 10-2 10-1 102 103 Massa flux / kg m-2 s-1 Drukval / bar
Buis op hoge temp. Buis op lage temp. Mantel op lage temp. Mantel op hoge temp.
12 metres (39 feet)
.4 metres
3.
4 metres
(11 feet)
Fig. 8. Vergelijking tussen een traditionele shell-and-tube-warmtewisselaar, Alfa Laval Compabloc en de minikanaalwarmtewisselaar. Bij een gelijk grondoppervlak is het volume van de minikanaalwarmtewisselaar erg klein.
